本發(fā)明涉及一種利用超聲波測固體材料泊松比的方法，屬于固體屬性的探測領域，也可適用于高等院校物理實驗教學領域。

背景技術：

超聲波是指頻率在2×10⁴Hz～2×10¹²Hz的聲波，可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。其在海洋探查與開發(fā)、無損檢測與評價、醫(yī)學診斷等領域中發(fā)揮著獨特的作用。所以對超聲波的研究就具有重要意義。

泊松比是一個非常重要的材料力學參數(shù)。目前泊松比的測試方法分為接觸式和非接觸式兩類。前者主要有機械法與電測法，機械方法中引伸計的自重和夾持力較大會引起軟質(zhì)試樣的附加變形，因此只適用于硬質(zhì)試件。電測法在試件上粘貼云紋片或電阻片給試件附加了粘貼片剛度，測量誤差大，而且測量范圍有限，一次性使用，成本高。后者則包括利用聲音傳播特性的聲學方法和全息干涉法或云紋干涉法等的光學方法。

授權(quán)公告號為CN101672750B的專利提出一種測量薄膜材料的泊松比方法，待檢測的薄膜材料周邊夾緊，使其形成半徑為a的周邊夾緊的圓薄膜，并在圓薄膜上施加均布載荷q，利用圓薄膜上任意兩點的撓度值之比，便可以精確地計算出薄膜的泊松比。授權(quán)公告號為CN101655434B的專利涉及一種線性粘彈材料泊松比的測試方法。該方法根據(jù)剪切蠕變?nèi)崃颗c拉伸蠕變?nèi)崃康膿Q算關系，確定線性粘彈材料泊松比。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種利用超聲波測固體材料泊松比的方法，原理是利用超聲波在介質(zhì)表面的全反射與固體材料泊松比的關系進行測量。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括超聲測量儀主機、數(shù)字示波器、有機玻璃水箱、帶角度刻度及旋鈕的水箱頂板、固體材料板、兩個超聲探頭，兩個超聲探頭對稱設置在有機玻璃水箱的兩端，帶角度刻度及旋鈕的水箱頂板設置在有機玻璃水箱上端，固體材料板與水下頂板上端旋鈕連接，包括如下步驟：

(1)將兩個超聲探頭分別連接到超聲測量儀主機上的超聲探頭T-R1接口和R2接口，調(diào)整水箱頂板上的旋鈕使固體材料板的表面與發(fā)射聲波垂直；

(2)將數(shù)字示波器的CH1通道連接到超聲測量儀主機上的示波器接口T上，觀察發(fā)射波形，將數(shù)字示波器的CH2通道連接到超聲測量儀主機上的示波器接口R2上，觀察透射波形；

(3)當超聲波以傾斜角度α入射到兩種介質(zhì)的交界表面上，根據(jù)折射定律和波形變換，將會產(chǎn)生一個折射縱波和一個折射橫波，通過調(diào)整水箱頂板上的旋鈕實現(xiàn)固體材料板的旋轉(zhuǎn)，改變聲波對固體材料板的入射角α至觀察到縱波和橫波的全反射現(xiàn)象，記錄縱波和橫波發(fā)生全反射時對應的入射角α_L和α_T，；

(4)將超聲波縱波和橫波發(fā)生全反射時的入射角度α_L和α_T分別帶入公式和得出縱波聲速V_L和橫波聲速V_T，式中：V是超聲波在波速較慢介質(zhì)中的傳播速度；

(5)則固體材料泊松比μ是：

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用超聲波測量技術，根據(jù)壓電效應和逆壓電效應，設計出可以測量固體材料泊松的裝置，測量中不需要與材料直接接觸對其施加應力，而且測量精度高，操作簡單方便，可隨意更換被測材料。本發(fā)明應用于高等院校的物理實驗教學，可以使學生充分掌握超聲波的應用以及壓電效應和逆壓電效應?？梢宰鳛獒t(yī)學用超聲診斷實驗儀，也可以作為工業(yè)用超聲探傷實驗儀。也即本發(fā)明提供了一種有效的測量材料泊松比的方法，測量中不需要與材料直接接觸對其施加應力，利用超聲波的在介質(zhì)中的傳播規(guī)律測量，測量精度高，操作簡單方便，可隨意更換被測材料。本發(fā)明實驗內(nèi)容豐富，使用面廣，不僅可以通過設計實驗測量不同材料的泊松比等重要的物理量，還可用于測量介質(zhì)中的聲速和楊氏模量等物理量，可作為高等院校物理實驗教學儀器。

附圖說明

圖1是壓電效應原理圖；

圖2是逆壓電效應原理圖；

圖3是超聲波的反射、折射和波形變換；

圖4是縱波和橫波傳播角度關系圖；

圖5是超聲波橫波和縱波同時存在數(shù)字示波器信號接收圖；

圖6(a)是縱波發(fā)生全反射時數(shù)字示波器信號接收圖，圖6(b)是橫波發(fā)生全反射時數(shù)字示波器信號接收圖；

圖7是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。

圖中：1-超聲測量儀主機、2-數(shù)字示波器、3-有機玻璃水箱、4-水箱頂板、5-旋鈕、6-固體材料板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

本發(fā)明利用逆壓電效應產(chǎn)生超聲波，利用壓電效應接收超聲波。某些固體物質(zhì)，在壓力(或拉力)的作用下產(chǎn)生變形，從而使物質(zhì)本身極化，在物體的表面出現(xiàn)正、負束縛電荷，這一效應稱為壓電效應。圖1為壓電效應原理圖，圖中依次為未施加壓力時，拉伸外力和壓縮外力時的晶體。通常具有壓電效應的物質(zhì)同時也具有逆壓電效應，即當對其施加電壓后會發(fā)生形變。用于產(chǎn)生和接收超聲波的材料一般被制成片狀(晶片)，并在其正反兩面鍍上導電層(如鍍銀層)作為正負電極。圖2為逆壓電效應原理圖，圖中依次為未施加電場時，外加電場和外加反向電場時的晶體圖。如果在電極兩端施加一脈沖電壓，則晶片發(fā)生彈性形變，隨后發(fā)生自由振動，形成駐波。適當選擇晶片的厚度，使其產(chǎn)生彈性波的頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)，則該晶片即可產(chǎn)生超聲波。

測量固體材料的泊松比。當超聲波以傾斜角度α入射到兩種介質(zhì)的交界表面上，根據(jù)折射定律和波形變換，將會產(chǎn)生一個折射縱波和一個折射橫波(如圖3所示)。超聲波在波速較慢介質(zhì)中的傳播速度V，入射角度α，折射縱波的波速V_L，縱波的折射角度β_L，折射橫波的波速V_T，橫波的折射角度β_T，如圖4所示裝置傳播路徑角度關系圖，由斯涅爾定律，其關系為：

$\frac{V}{sin\mathrm{\α}}=\frac{V_L}{{\mathrm{sin\β}}_L}=\frac{V_T}{{\mathrm{sin\β}}_T}$

本發(fā)明中超聲波是從波速較慢的水中進入波速較快的固體介質(zhì)，通過改變?nèi)肷浣嵌圈量梢杂^察到全反射現(xiàn)象。因為固體中縱波波速大于橫波波速，所以縱波發(fā)生全反射時所對應的入射角度α比橫波發(fā)生全反射時的入射角α小，通過調(diào)整入射角度α的值可以分別觀察縱波和橫波的全反射現(xiàn)象，并可以根據(jù)上述公式分別計算出縱波聲速V_L和橫波聲速V_L：

$V_L=\frac{V}{{\mathrm{sin\α}}_L}$

$V_T=\frac{V}{{\mathrm{sin\α}}_T}$

式中α_L為縱波發(fā)生全反射時對應的入射角度，α_T為橫波發(fā)生全反射時對應的入射角度?？v波和橫波發(fā)生全反射時的信號如圖6(a)和圖6(b)所示。

本發(fā)明中固體介質(zhì)的泊松比μ與固體中縱波聲速V_L和橫波聲速V_T之間的關系為：

$\mathrm{\μ}=\frac{\frac{1}{2}\·{\left(\frac{V_L}{V_T}\right)}^2-1}{{\left(\frac{V_L}{V_T}\right)}^2-1}$

測量過程中只需要調(diào)整超聲波的入射角度α使折射縱波和折射橫波分別發(fā)生全反射，再分別計算出縱波聲速V_L和橫波聲速V_T，然后再根據(jù)公式計算出固體介質(zhì)的泊松比μ。

超聲水槽法測固體材料泊松比測量方法實現(xiàn)的具體過程為：利用逆壓電效應產(chǎn)生超聲波，超聲波進入水槽，在水槽中放置不同的固體材料，當超聲波以一定傾斜角度入射到固體材料表面，根據(jù)折射定律和波形變換，將會產(chǎn)生一個折射縱波和一個折射橫波。改變?nèi)肷浣嵌?，折射橫波和折射縱波分別會發(fā)生全反射現(xiàn)象，由示波器接收射出水槽的超聲波，根據(jù)固體材料泊松比與超聲波聲速的關系計算出泊松比。

本發(fā)明的裝置具體包括：超聲測量儀主機1、數(shù)字示波器2、有機玻璃水箱3、帶角度刻度及旋鈕5的水箱頂板4、固體材料板6、兩個超聲探頭及示波器接線兩根組成。如圖7為超聲水槽法測量固體材料泊松比裝置框圖。超聲測量儀是一種無損傷的集超聲脈沖反射式和透射式于一體的儀器。探測時使用雙探頭，一個探頭用來發(fā)射超聲，而另一個探頭用來接收超聲，也即兩個超聲探頭利用逆壓電效應產(chǎn)生超聲波，利用壓電效應接收超聲波。有機玻璃水箱為超聲波的傳輸介質(zhì)，將帶角度刻度及旋鈕水箱頂板分別配有固體材料板，在固體材料板表面發(fā)生全反射，通過角度刻度讀發(fā)生全反射時的入射角。

具體過程為：

(1)將兩個超聲探頭分別連接到測量儀面板上的超聲探頭T-R1接口和R2接口。將可旋轉(zhuǎn)角度的固體材料板置于水槽中，使固體材料板表面與發(fā)射聲波垂直。

(2)將示波器CH1通道連接到測量儀面板上的示波器接口T上，觀察發(fā)射波形，將示波器CH2通道連接到測量儀面板上的示波器接口R2上，觀察透射波形。

(3)通過旋轉(zhuǎn)固體材料板改變聲波對鋁金屬板面的入射角，觀察波形變換產(chǎn)生的縱波和橫波，并觀察縱波和橫波的全反射現(xiàn)象，記錄縱波和橫波發(fā)生全反射時對應的入射角。

(4)將超聲波縱波和橫波發(fā)生全反射時的入射角度分別帶入相應的計算公式，計算出縱波聲速和橫波聲速。

(5)將縱波聲速和橫波聲速帶入計算公式可計算出固體材料泊松比。